Download Regresión y reconstrucción

Regresión y reconstrucción
Regresión y reconstrucción:
estrategias de formación de sinapsis
en el cerebro en desarrollo
La sinaptogénesis es el proceso mediante el
cual las neuronas forman conexiones durante
el desarrollo del cerebro. Para ello, las neuronas
emplean dos estrategias: la “regresiva” y la “construccionista”, mismas que aquí se describen.
Gabriel Gutiérrez Ospina, Eileen Uribe Querol
y Norma Sánchez Avendaño
E
l cerebro está constituido, entre otros elementos,
por cientos de miles de neuronas. Estas neuronas se
relacionan entre sí a través de uniones especiales,
denominadas sinapsis. Debido a que las sinapsis son
utilizadas por las neuronas para comunicarse y transferir información, los neurobiólogos hemos dedicado mucho esfuerzo para tratar de entender cómo se forman, funcionan y modifican
estas uniones interneuronales. En el presente trabajo, comentaremos específicamente las estrategias generales que parecen seguir las neuronas para establecer sinapsis durante el desarrollo
del cerebro. A este proceso se le conoce como sinaptogénesis, y
no debe ser confundido con los eventos celulares que ayudan a
dirigir a las fibras nerviosas hacia su órgano blanco; esto último
se conoce como navegación axonal.
DESARROLLO CEREBRAL Y ELIMINACIÓN DE SINAPSIS
Durante el desarrollo cerebral, las neuronas emiten fibras en
dirección a las regiones que inervarán (con las que formarán
conexiones), ayudándose de diferentes señales
que guían su crecimiento (navegación axonal).
Una vez alcanzado el territorio “blanco”, estas
fibras generan un número excesivo de sinapsis
sobre las neuronas que se localizan en dicho
territorio (sinaptogénesis). La sobreproducción
de sinapsis es el resultado de una elevada concentración de moléculas llamadas factores de
crecimiento, liberadas por las neuronas localizadas en el territorio inervado. Si este número
de sinapsis persistiera hasta la vida adulta, la
función del cerebro maduro se vería profundamente dificultada. Así, una vez alcanzada una
densidad crítica de sinapsis, la producción de
factores de crecimiento por las neuronas inervadas disminuye progresivamente, hasta alcanzar una concentración mínima que les permite retener el número de sinapsis que requieren
para funcionar adecuadamente (figura 1). La
julio-septiembre 2004
•
ciencia
47
Desarrollo cerebral
a)
Nacimiento
b)
Figura 1. Esquema que ilustra los eventos sobresalientes que caracterizan al modelo regresivo para la formación de contactos sinápticos en el cerebro en desarrollo. a) En la fase inicial, un gran número de aferentes
invaden el territorio blanco, y establecen contactos de
manera difusa con las neuronas que en él se encuentran.
Se supone que este comportamiento es inducido por el
exceso de factores de crecimiento (sombreado rosa) en
el territorio blanco. b) En etapas tardías del desarrollo,
la disponibilidad de los factores de crecimiento en el
territorio blanco disminuye. Esta situación conduce a una
competencia entre las fibras y a la consecuente consolidación o eliminación diferencial de las sinapsis.
48 ciencia
•
julio-septiembre 2004
actividad neuronal parece jugar un
papel fundamental en este proceso,
pues la coincidencia espacio-temporal de los patrones de señales eléctricas entre la neurona que inerva y la
que es inervada potencia la liberación y disponibilidad local de factores de crecimiento. Esto, a su vez,
Adulto
favorece la permanencia de algunas
sinapsis y la eliminación de otras. A
lo largo de los años, se ha sugerido que la estrategia de eliminación sináptica es utilizada por distintos grupos de neuronas que
establecen sinapsis con otros grupos neuronales localizados en
la corteza cerebral, la médula espinal, el tálamo y el mesencéfalo, así como con las células que inervan los músculos que permiten el movimiento voluntario.
No obstante la gran aceptación que goza esta visión regresiva del desarrollo de las sinapsis entre los neurocientíficos, existe
una serie de aspectos que son difíciles de conciliar con una imagen regresiva del desarrollo cerebral. Hay evidencia reciente
que muestra que algunos factores de crecimiento, cuando están
presentes en concentraciones fisiológicas, inducen la retracción
selectiva de las prolongaciones neuronales, e incluso provocan
la muerte neuronal. Se han documentado incrementos, en lugar
de reducciones, en la disponibilidad de factores de crecimiento
durante periodos en los que se supone que ocurre la eliminación de sinapsis. Por otro lado, aún no es claro si la mayor parte de los contactos que se establecen entre las neuronas en desarrollo constituyen realmente sinapsis, pues muchos
de ellos carecen de los marcadores moleculares y estructurales que las caracterizan.
La eliminación sináptica tampoco parece ser
compatible con el incremento, a lo largo del desarrollo, del tamaño de las neuronas y la complejidad
de los circuitos neuronales. Finalmente, estudios sobre los mecanismos de la memoria y el aprendizaje
indican que ambos procesos ocurren en paralelo a la
formación de nuevas sinapsis en el cerebro. Esta observación es contraintuitiva si uno asume que los circuitos
neuronales se forman como resultado de la eliminación de sinapsis durante el desarrollo del cerebro.
De hecho, es precisamente durante el desarrollo
que el individuo aprende y memoriza la mayor parte de la información que le será necesaria para conducirse en su entorno.
Regresión y reconstrucción
EL DESARROLLO DEL CEREBRO
Y LA CONSTRUCCIÓN SINÁPTICA
A finales del siglo pasado, distintos grupos de investigación,
entre ellos el nuestro, aportaron evidencia que muestra que las
neuronas forman sinapsis durante el desarrollo cerebral siguiendo una estrategia diferente a la regresión sináptica. La premisa básica de esta “nueva” estrategia es que las neuronas
establecen sinapsis de manera puntual, precisa y progresiva (figura 2). Así, los circuitos neuronales aumentan
su complejidad a lo largo del desarrollo a través de un
proceso de adición de sinapsis. Nosotros hemos mostrado que esta generación selectiva y progresiva de sinapsis depende de la disponibilidad creciente de factores de crecimiento a lo largo del desarrollo. Así, en
esta concepción “construccionista” de la formación
de la circuitería cerebral, la eliminación de sinapsis jugaría un papel menor en la modelación de los circuitos
neuronales. Efectivamente, si existe un incremento controlado
y paulatino en la disponibilidad local de factores de crecimiento, el elemento que induce la eliminación sináptica (la reducción del acceso a factores de crecimiento) queda cancelado.
Algunos ejemplos de grupos de neuronas que parecen seguir la
estrategia “construccionista” se localizan en los ganglios periféricos sensoriales, la corteza cerebral, algunos núcleos talámicos
y los bulbos olfatorios.
Una de las interrogantes que surgen con relación al reconocimiento de la existencia de la estrategia “construccionista” es
por qué no ha sido bien aceptada por la mayoría de los neurobiólogos contemporáneos. Pensamos que esto se debe, al menos en
parte, a la prevalencia de la filosofía “darwinista” para explicar
el desarrollo neuronal. En esta visión, la eliminación de los elementos neuronales y conexiones nerviosas menos aptas (¿aquellas que no son utilizadas?) es necesaria para “esculpir” la geometría final de los circuitos neuronales. La mayor parte de la
evidencia experimental referente a la formación de sinapsis ha
sido interpretada bajo esta óptica, si bien los mismos resultados
pueden ser interpretados en otro
contexto. En los renglones subsecuentes describiremos algunos
ejemplos que ilustran este punto.
Durante el desarrollo, el gana)
Nacimiento
glio cervical superior es inervado
Figura 2. Esquema que ilustra los eventos sobresalientes que caracterizan al modelo construccionista para
la formación de contactos sinápticos en el cerebro en
desarrollo. a) En la fase inicial, un número discreto de
fibras invaden el territorio blanco, y establecen contactos de manera selectiva con las neuronas que en él
se encuentran. Se supone que este comportamiento es
inducido por una restricción al acceso de factores de
crecimiento (sombreado rosa) en el territorio blanco.
b) En etapas tardías del desarrollo, la disponibilidad de
los factores de crecimiento en el territorio blanco aumenta progresivamente. Esta situación conduce a una
elaboración paulatina de los árboles terminales de las
fibras nerviosas, sin que ésta sea mediada por la competencia entre ellas ni moldeada mediante la eliminación sináptica.
b)
Adulto
julio-septiembre 2004
•
ciencia
49
Desarrollo cerebral
Los mecanismos que median
la “decisión” de las neuronas
acerca de la estrategia
que seguirán para formar
sinapsis son aún poco claros
Figura 3. a) Fotomicrografía que ilustra el aspecto de
una rebanada del cerebro de rata que contiene, entre
otras estructuras, a la corteza somatosensorial (S1). Esta
rebanada fue mantenida en cultivo por 45 días. b), c) Fotomicrografías obtenidas en el microscopio confocal que
ilustran la cantidad relativa de terminales nerviosas (flechas) activas identificadas mediante la incorporación
del colorante supravital FM1-43. Las imágenes fueron obtenidas en la corteza somatosensorial de rebanadas de
cerebro mantenidas en cultivo por 12 b) y 40 días c).
Nótese el incremento en el número de terminales marcadas conforme la edad en cultivo avanza. También se
observan marcados algunos cuerpos neuronales (n).
S1
a)
50 ciencia
•
julio-septiembre 2004
por muchas fibras preganglionares. Conforme el animal madura, el número de fibras preganglionares disminuye dramáticamente. Estos datos, a primera vista, sugerirían una eliminación
de sinapsis. No obstante esta interpretación, se ha observado
que, acompañando a la reducción en el número de fibras preganglionares, hay un aumento en el número de sinapsis establecidas entre las fibras preganglionares que permanecen y las neuronas ganglionares.
Otro ejemplo de estos problemas de interpretación se ha observado tanto en la corteza cerebral visual de carnívoros y primates, como en la corteza cerebral somatosensorial de roedores.
En ambas regiones, experimentos realizados con trazadores radioactivos o fluorescentes sugirieron, inicialmente, que las fibras
talámicas se ramifican de manera difusa en las cortezas visual y
somatosensorial. Sin embargo, estudios recientes realizados con
ayuda de mejores técnicas para el trazado de fibras nerviosas han
mostrado que las fibras talámicas inervan a la corteza de manera
precisa y que su complejidad aumenta a lo largo del desarrollo
postnatal. En el laboratorio no solamente hemos confirmado
estas observaciones, sino también hemos obtenido evidencia
preliminar que indica que, en la corteza somatosensorial de los
roedores, éste crecimiento preciso de las fibras se acompaña de
un aumento en su número de terminales (figura 3).
¿REGRESIONISTA O CONSTRUCCIONISTA?
ÉSTE ES EL DILEMA
Los mecanismos que median la “decisión” de las neuronas acerca de la estrategia que seguirán para formar sinapsis son aún poco claros. Como se mencionó, sin embargo, es probable que las
n
e
u
ronas localizadas en los territorios blanco regulen el número de
sinapsis que se establecen sobre
ellas al modular cuidadosamente la disponibilidad local de los
factores de crecimiento. Debido
a que las fibras nerviosas paren
cen “buscar” ávidamente estos
b)
factores, la restricción o el libre
acceso a ellos podría definir el
n
tipo de estrategia que las fibras
n
seguirían para establecer contactos con las neuronas blanco.
n
Así, en el esquema “regresionisc)
ta”, la reducida disponibilidad
Regresión y reconstrucción
de factores de crecimiento conduciría a una competencia entre
las fibras. Como consecuencia de esta competencia, las fibras
que tuvieran un buen acceso al codiciado factor de crecimiento
permanecerían y consolidarían sus sinapsis. En contraste, las fibras menos afortunadas, aquellas que no fueran expuestas a suficientes cantidades del factor de crecimiento liberado por las
neuronas blanco, serían removidas y sus contactos eliminados.
Por otro lado, para aquellos grupos de neuronas que “decidieran” seguir el esquema “construccionista” para elaborar sus sinapsis, la historia sería diferente. Las neuronas blanco podrían
incrementar gradualmente la disponibilidad local de factores de
crecimiento promoviendo así la adición paulatina y controlada
de sinapsis. Esto evitaría la redundancia sináptica y la necesidad
ulterior de eliminar un gran número de sinapsis en etapas posteriores del desarrollo. Si bien hay evidencia experimental que
apoya la existencia de ambos mecanismos durante el desarrollo
cerebral, aún desconocemos una infinidad de detalles que deben
de ser aclarados antes de tener respuestas más definitivas.
Por ejemplo, en el esquema anterior, parecería que las neuronas que inervan son elementos pasivos cuyas fibras están dispuestas a seguir las instrucciones dictadas por las neuronas
blanco al modificar la disponibilidad local de factores de crecimiento. Existe evidencia que sugiere, sin embargo, que las neuronas que inervan podrían auto-instruir el crecimiento de sus
fibras y regular la respuesta de las neuronas blanco (figura 4). En
estudios realizados en neuronas del caracol de tierra se ha mostrado que aquellas neuronas que secretan neurotransmisores
desde las puntas de sus fibras en crecimiento, o cuyas fibras secretan tan pronto como establecen contactos con sus células
blanco, persiguen una estrategia “regresionista” para formar sus
conexiones. En contraste, algunos grupos de neuronas cuyas fibras no empiezan a secretar neurotransmisores sino hasta transcurridas varias decenas de minutos después de que contactan a
sus células blanco, elaboran sinapsis de manera selectiva y progresiva. Aún no se sabe si estas reglas son aplicables al sistema nervioso de los mamíferos en
desarrollo. Cabe destacar, sin embargo: 1) que las fibras de neuroa)
nas obtenidas del cerebro de distintos mamíferos poseen las
proteínas asociadas a la secreción
regulada de neurotransmisores
antes de que contacten a sus neub)
ronas blanco; 2) que estas fibras
Algunos grupos de neuronas
cuyas fibras no empiezan
a secretar neurotransmisores
sino hasta transcurridas
varias decenas de minutos
después de que contactan
a sus células blanco,
elaboran sinapsis
de manera selectiva
y progresiva
Figura 4. Esquemas que ilustran la posible participación de la secreción en el proceso de selección de la
estrategia que seguirán las fibras nerviosas para establecer sinapsis sobre las neuronas del territorio “blanco”.
a) Aquellas neuronas que liberan cantidades significativas de neurotransmisores desde sus conos de crecimiento conforme se aproximan al territorio “blanco”, o
bien que secretan neurotransmisores (sombreado en color) tan pronto contactan a sus células blanco, seguirán
una estrategia “regresionista”. b) En contraste, las neuronas que no secretan neurotransmisores en cantidades
detectables desde sus conos de crecimiento, sino hasta
varias decenas de minutos después de haberse puesto
en contacto con sus células blanco, seguirán una estrategia “construccionista”.
julio-septiembre 2004
•
ciencia
51
Desarrollo cerebral
son capaces de secretar diferentes neurotransmisores conforme crecen hacia su territorio
blanco, y 3) que estos neurotransmisores regulan, al unirse a receptores específicos, el crecimiento de las fibras nerviosas. Así, las observaciones descritas hacen probable que los
resultados obtenidos en las neuronas del caracol pudieran ser aplicables a las neuronas en
desarrollo de los mamíferos.
COMENTARIOS FINALES
Con base a lo expuesto con anterioridad, la
evidencia experimental acumulada en años recientes sugiere que distintos grupos de neuronas forman sinapsis siguiendo dos estrategias
básicas. En una de ellas, las neuronas producen más sinapsis de las necesarias, por lo que
en etapas subsiguientes del desarrollo una fracción significativa de ellas es eliminada. En la
segunda estrategia, las neuronas elaboran sinapsis de manera precisa y paulatina. La falta de
redundancia hace innecesaria la eliminación
sináptica más tarde en el desarrollo. Como suele
ser el caso en la investigación científica, cuando
existen posturas aparentemente opuestas es muy
probable que, para el caso de la formación de
sinapsis en el cerebro, las neuronas desarrollen
estrategias híbridas, en las que las dicotomías redundancia/eliminación y precisión/construcción participen selectivamente en la generación
de los circuitos neuronales. Quizás en algunas
regiones del sistema nervioso en donde parecen existir estrategias puras para generar sinapsis, en realidad existan ambas estrategias, pero
con cierto predominio de una o la otra. Establecer estas relaciones en el futuro inmediato será de gran relevancia, pues dicho conocimiento
nos permitirá entender mejor aspectos básicos
y clínicos de la relación forma/función en el
cerebro normal y enfermo.
Bibliografía
Crair, M. C., Gillespie, D. C., y M. P. Stryker (1998),
52 ciencia
•
julio-septiembre 2004
“The role of visual experience in de development in the cat visual
cortex”, Science, 279, 566-570.
Gan, W., y J. W. Lichtman (1998), “Synaptic segregation at the developing neuromuscular junction”, Science, 282, 1508-1511.
Gutiérrez-Ospina, G, A. S. Calikoglu, P. Ye y A. J. D´Ercole (1996), “In
vivo effects of insulin-like growth factor-I on the development of
sensory pathways: analysis of the primary somatic sensory cortex
(S1) of transgenic mice”, Endocrinology, 137, 5484-5492.
Hubel, D. H., T. N. Weisel, y S. LeVay (1977), “Plasticity of ocular dominance columns in monkey striate cortex”, Phil Trans. R. Soc. London. B., 278, 377-409.
Katz, L. C., y J. C. Crowley (2002), “Development of cortical circuits:
Lessons from ocular dominance columns”, Nat. Rev. Neurosci., 3,
34-42.
Katz, L. C., y C. J. Shatz (1996), “Synaptic activity and the construction of cortical circuits”, Science, 274, 1133-1137.
LaMantia, A. S. y D. Purves (1989), “Development of glomerular patron visualized in the olfactory bulbs of living mice”, Nature, 341,
646-649.
Litchman, J. (1977), “The reorganization of synaptic connections in
the rat submandibular ganglion during post-natal development”, J.
Physiol, 273, 155-177.
Purves, D, White, L. E., y D. R. Riddle (1996), “Is neural development
darwinian?”, TINS, 19, 460-463.
Purves, D. y A. S. LaMantia (1993), “Development of blobs in the visual cortex of macaques”, J. Comp. Neurol, 334, 169-175.
Gabriel Gutiérrez Ospina es licenciado por la Facultad de Medicina de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Obtuvo la maestría y el doctorado en Ciencias Fisiológicas en la misma Universidad. Recibió entrenamiento postdoctoral en las
Universidades de Duke y Carolina de Norte, Carolina de Norte, Estados Unidos. Actualmente es investigador titular “A” T.C., en el Departamento de Biología Celular y Fisiología del Instituto de Investigaciones Biomédicas de la UNAM. Su trabajo se centra
sobre los mecanismos de formación y plasticidad de las conexiones neuronales. Es
autor de numerosas publicaciones nacionales e internacionales en el área de su especialidad y ha impartido cátedra a nivel licenciatura, maestría y doctorado en diversas escuelas y facultades de la UNAM. Es nivel I del SNI y miembro regular de la Sociedad Mexicana de Ciencias Fisiológicas, de la Academia de Ciencias de Nueva York
y de la Sociedad para las Neurociencias, Estados Unidos.
gabo@servidor.unam.mx
Eileen Uribe Querol es licenciada en Investigación Biomédica Básica y maestra en
Ciencias por la UNAM. Actualmente está cursando el programa de doctorado en Ciencias Biomédicas en el Instituto de Investigaciones Biomédicas de la UNAM. Su trabajo
se centra sobre las estrategias que gobiernan la formación de conexiones neuronales
empleando modelos in vitro. Ha impartido cátedra en bachillerato y en las licenciaturas de Medicina y Odontología en la Universidad del Valle de México.
equerol@rocketmail.com
Norma Sánchez Avendaño es licenciada en Biología por la Universidad Autónoma de
Tlaxcala. Obtuvo la maestría en el Centro de Neurobiología de la UNAM y actualmente
cursa el programa de doctorado en Ciencias Biomédicas en el Instituto de Investigaciones Biomédicas de la UNAM. Su trabajo pretende establecer el posible efecto de la
liberación de neurotransmisores sobre las estrategias de formación sinápticas. Ha im-